GDB RSP協(xié)議與USB通信在嵌入式調(diào)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

盛建忠，王 勝，張慶文

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

調(diào)試嵌入式程序通常采用一種稱為交叉調(diào)試的調(diào)試技術(shù)來調(diào)試已下載到嵌入式開發(fā)板中的程序。該技術(shù)可以允許用戶通過PC機端的調(diào)試器以某種方式遠程控制目標開發(fā)板上被調(diào)試程序的運行方式，并具有查看與修改目標開發(fā)板上內(nèi)存單元、寄存器以及被調(diào)試程序中變量值等功能。采用硬件仿真器來調(diào)試嵌入式程序是常用的一種開發(fā)方式。

一般嵌入式CPU都設(shè)計有JTAG口來進行硬件仿真調(diào)試。硬件仿真器通過JTAG口輸入該CPU型號專有的JTAG時序來控制CPU的運行，并通過JTAG指令來觀察CPU以及開發(fā)板上硬件設(shè)備的運行情況，主要是各種寄存器以及相關(guān)內(nèi)存地址空間的實時數(shù)據(jù)。同時將嵌入式軟件的運行結(jié)果通過JTAG口按照特定的JTAG時序輸出反饋給硬件仿真器，硬件仿真器再通過USB或者串口、并口等總線返回給PC機端的調(diào)試軟件。

硬件仿真器通常采用USB總線與PC機端的調(diào)試軟件通信，因此硬件仿真器需要采用相關(guān)的USB芯片來支持USB通信功能，同時PC端的調(diào)試軟件也需要開發(fā)針對該款USB芯片的驅(qū)動功能以支持與硬件仿真器USB芯片的數(shù)據(jù)交互。此外，PC端的調(diào)試系統(tǒng)還包括調(diào)試器（比如GDB調(diào)試器）、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及位于它們之間的遠程調(diào)試協(xié)議（通常是GDB RSP協(xié)議），這些都是針對特定型號CPU定制的。

本文通過對GDB RSP協(xié)議與USB通信技術(shù)的研究與應(yīng)用，針對一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ZW100 DSP處理器成功開發(fā)了一套調(diào)試系統(tǒng)，從而為該款DSP的應(yīng)用提供了極大的便利。該調(diào)試系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 GDB RSP協(xié)議與EZ-USB FX2芯片概述

2.1 GDB RSP協(xié)議

GDB 遠程串行通信協(xié)議RSP（GDB Remote Serial Protocol）是基于消息的 ASCⅡ碼字符流協(xié)議，規(guī)定有服務(wù)器端（RSP Server）與客戶端（RSP Client）之分，通常在GDB中實現(xiàn)客戶端功能，而服務(wù)器端通常另起一個進程實現(xiàn)與GDB的RSP協(xié)議通信，兩者之間的數(shù)據(jù)交互一般采用進程間的通信方式來實現(xiàn)，常用的有網(wǎng)絡(luò)socket通信等。

調(diào)試系統(tǒng)的RSP Server和RSP Client雙方通過RSP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。RSP 數(shù)據(jù)包包含了調(diào)試信息和校驗兩個部分。調(diào)試信息是以“$”作為開始、以“#”作為結(jié)尾的ASCⅡ碼字符流，后面跟兩個字節(jié)的校驗碼，該校驗碼的值是調(diào)試信息中所有字符的 ASCⅡ碼相加后取256的模，該值用兩個十六進制字符表示，數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。

圖2 RSP數(shù)據(jù)包格式

接收方接收到數(shù)據(jù)包后進行解析，如果接收到的數(shù)據(jù)包正確，會返回響應(yīng)信息“+”字符 ，如果接收到的數(shù)據(jù)包出錯，需要重新傳送數(shù)據(jù)包，則返回響應(yīng)信息“-”字符。發(fā)送方通過接收方發(fā)回的響應(yīng)信息判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。

RSP協(xié)議的調(diào)試命令是通過第一個ASCⅡ碼字符進行區(qū)別的。以下是比較常用的調(diào)試命令及其功能：

● ？：報告目標CPU掛起的原因；

● c、C、s和S：恢復(fù)運行或者單步調(diào)試目標CPU；

● D：與目標板斷開連接；

● g和G：讀寫通用寄存器；

● m和M：讀寫內(nèi)存地址空間；

● p和P：讀寫指定寄存器；

● X：加載二進制數(shù)據(jù)；

● z和Z：清除或者設(shè)置斷點。

2.2 Cypress EZ-USB FX2功能

硬件仿真器采用Cypress的EZ-USB FX2芯片與PC端的調(diào)試進程（RSP Server）進行通信。Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是世界第一個集成USB 2.0協(xié)議的微處理器，它支持12 Mb/s的全速傳輸和480 Mb/s的高速傳輸，可使用4種USB傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸；完全使用USB 2.0，并向下兼容USB1.1。

EZ-USB FX2的前身是EZ-USB，其芯片固件也是存儲在主機上而不是芯片內(nèi)部，顯著特點是代碼容易升級。芯片結(jié)構(gòu)也與EZ-USB類似，主要包括USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎、增強型8051、16 KB的RAM、4 KB的FIFO存儲器、I/O口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口GPIF。

采用Cypress EZ-USB FX2芯片進行USB通信傳輸性能穩(wěn)定，其硬件性能可以進行靈活配置。該芯片的特點在于：

（1）USB2.0單芯片解決方案，包括USB2.0收發(fā)器，串行接口引擎（SIE）和增強型51內(nèi)核?？伞败浥渲谩盧AM，大小為16 K，可取代傳統(tǒng)51的RAM和ROM，程序可以通過USB口下載或者通過外部EEPROM裝載，同時也支持外界存儲設(shè)備。

（2）通用可編程接口GPIF。GPIF是FX2一個重要技術(shù)，可設(shè)置為主從模式，主從模式下可對外部FIFO、存儲器、ATA接口設(shè)備進行高速讀寫操作，從模式下外部主控器（如DSP，MCU）可把GPIF端口當做FIFO進行高速讀寫操作；支持與外設(shè)通過并行8位或者16位總線傳輸；支持通過GPIF編程工具編程，靈活產(chǎn)生各種波形。支持多CTL輸出和RDY輸入。

（3）增強工業(yè)級8051內(nèi)核：支持48 MHz時鐘；4個時鐘指令周期，在時鐘為48 MHz時，單指令執(zhí)行時間為83.3 ns；兩個UART；三個TIMER；多中斷系統(tǒng)；多數(shù)據(jù)指針。

3 研究與實現(xiàn)

GDB RSP協(xié)議與USB通信技術(shù)在調(diào)試系統(tǒng)中主要由三部分組成：EZ-USB FX2芯片USB通信功能開發(fā)、RSP Server與GDB的RSP通信、RSP Server與EZUSB FX2芯片的USB數(shù)據(jù)交互。在進行功能開發(fā)之前，我們需要將EZ-USB FX2的開發(fā)包安裝到PC機上，該開發(fā)包主要包括了EZ-USB FX2芯片的USB驅(qū)動、EZ-USB FX2進行USB開發(fā)所需的鏈接庫和相關(guān)頭文件、增強型8051單片機開發(fā)所需的頭文件等開發(fā)要件。

3.1 EZ-USB FX2芯片USB通信功能開發(fā)

為了簡化固件編程，Cypress提供了固件編程框架，開發(fā)人員只需要在此基礎(chǔ)上添加少量代碼就可以完成固件編程。固件編程框架已經(jīng)將USB標準請求和USB電源管理包括進去了，并且提供了任務(wù)調(diào)度函數(shù)，只需要在這任務(wù)調(diào)度函數(shù)中添加部分代碼就完成了固件編程。

圖3 USB芯片固件開發(fā)流程圖

上電復(fù)位時，固件先初始化一些全局變量，接著調(diào)用初始化函數(shù)TD_Init（），初始化設(shè)備到?jīng)]有配置的狀態(tài)和打開中斷，循環(huán)1 s后重新枚舉，直到端點0接收到SETUP包退出循環(huán)，進入循環(huán)語句while，執(zhí)行任務(wù)函數(shù)，函數(shù)包括：

（1）TD_POLL（）用戶任務(wù)調(diào)度函數(shù)；

（2）如果發(fā)現(xiàn)USB設(shè)備請求，則執(zhí)行對應(yīng)的USB請求；

（3）如果發(fā)現(xiàn)U S B空閑置位，則調(diào)用TD_Suspend（）這個掛起函數(shù)，調(diào)用成功則內(nèi)核掛起，直到出現(xiàn)USB遠程喚醒信號，調(diào)用TD_Resume（），內(nèi)核喚醒重新進入while循環(huán)。

3.2 PC端USB通信開發(fā)

PC端USB通信的開發(fā)主要由三部分組成：設(shè)置要讀寫的內(nèi)存空間地址、讀內(nèi)存地址空間、寫內(nèi)存地址空間。這三個功能主要由3個函數(shù)來實現(xiàn)：void SetAddr（DWORD addr）、int ReadReg（ULONG addr, ULONG *val）、int WriteReg（ULONG addr,ULONG data）。

3.2.1 void SetAddr（DWORD addr）函數(shù)的實現(xiàn)

SetAddr函數(shù)的實現(xiàn)過程可以由圖4來表示。

圖4 SetAddr函數(shù)實現(xiàn)

3.2.2 int ReadReg（ULONG addr, ULONG *val）函數(shù)的實現(xiàn)

考慮到GDB調(diào)試器要頻繁讀取DSP內(nèi)核寄存器及相關(guān)的內(nèi)存地址空間內(nèi)容，因此USB采用異步通信的方式來完成讀取功能，PC端的RSP Server通過啟動傳送線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異步傳輸。ReadReg函數(shù)的實現(xiàn)流程如圖5所示。

3.2.3 int WriteReg（ULONG addr, ULONG data）函數(shù)的實現(xiàn)

在調(diào)試過程中，通常寫寄存器的操作由程序員在調(diào)試過程中手動實現(xiàn)，USB通信量相比較于讀操作要小得多，因此本調(diào)試系統(tǒng)采用簡單的Write函數(shù)操作來實現(xiàn)DSP內(nèi)存地址空間的寫操作，其實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖5 ReadReg函數(shù)實現(xiàn)

圖6 WriteReg函數(shù)實現(xiàn)

3.3 RSP通信功能開發(fā)

RSP通信功能的開發(fā)主要包括RSP Client和RSP Server功能的開發(fā)，其中RSP Client內(nèi)嵌于GDB調(diào)試器中實現(xiàn)。GDB與RSP Server的通信主要通過基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)Socket編程來實現(xiàn)。在RSP Server中，RSP命令處理函數(shù)主要用來對RSP的各種命令包在解析之后作出符合DSP條件的具體操作，該命令處理函數(shù)對RSP命令包的處理情況如表1所示。

在實現(xiàn)了GDB RSP協(xié)議的各個命令包之后，就可以將GDB調(diào)試命令映射到RSP命令包的組合實現(xiàn)常用的GDB調(diào)試命令，如表2所示。

表1 RSP命令的實現(xiàn)

表2 GDB命令的實現(xiàn)

4 結(jié)束語

GDB RSP協(xié)議與USB通信在嵌入式調(diào)試系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。本文給出了一種在嵌入式調(diào)試系統(tǒng)中應(yīng)用GDB RSP協(xié)議與USB通信的應(yīng)用案例，解決了通過USB對特定DSP開發(fā)板的硬件仿真調(diào)試問題，使得該DSP平臺的嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)更加方便，縮短了開發(fā)周期并提高了下載目標程序的速度。該調(diào)試系統(tǒng)已經(jīng)通過測試并通過了國家重點項目的驗收。

[1] USB2.0+FPGA開發(fā)文檔.

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[4] 于婷，龍翔，高小鵬. 基于模擬器遠程調(diào)試系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[EB/OL].中國科技論文在線.

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